NO327929B1 - Kompositt-koplingsenhet med forbedret lavsyklus-utmattingsliv - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse gjelder en rørledningskopling som er egnet for bruk i forbindelse med kveilet rørledning i olje- og gassbrenner.

Oppfinnelsens bakgrunn

Kveilet rørledning anvendes i vedlikeholdsarbeider ved ferdigstilling av olje-og gassbrønner samt ved utboring av nye brønner. Arbeidsoperasjoner med bruk av kveilet rørledning som omfatter oppstrøms olje- og gassutvinning, krever evne til å utføre sammenkoplinger ende mot ende eller rundtgående sammenkoplinger i rørledningen av forskjellige grunner. Spesielt for anvendelse til sjøs vil begrensnin-ger av kranens heiselastevne nødvendiggjøre sammenstilling av to eller flere spo-ler av kveilet rørledning så snart de er blitt avgitt på dekk. Det foreligger to grunnleggende midler for å utføre en rundtgående sammenføyning. En måte er ved hjelp av sveising, mens den andre omfatter bruk av en spolbar mekanisk forbindelse. Dette kan omfatte behov for avanserte maskinsveisingsprosesser, nemlig ved orbital wolfram-inert gass ("TIG"), for sveiseforbindelser på land. Disse forbindelser oppviser en lavsyklus-utmattingslevetid ("LCF") som ligger i området 50% til 60% av den verdi som gjelder for ikke-sveiset rørledning. Størrelsen av denne utmattingsadferd er det dobbelte av den minsteverdi som generelt godtas for svei-sede forbindelser fremstilt ved manuell TIG-prosess, og som da er 25% for manuell TIG.

TIG-sveising krever fagkyndig arbeide og stor omsorg ved kantbehandlin-gen. Den er også følsom for sveisefeil hvis skjermgassen blir avbøyet av en tverr-vind. For anvendelse til sjøs, hvor stormer ofte forekommer, vil et innelukket område være påkrevd. Generelt sett vil logistikken ved utførelse av orbital TIG til sjøs være vesentlig mer komplisert.

Industrien har i forbindelse med kveilbar rørledning utviklet mange forskjellige og vellykkede mekaniske fremgangsmåter for forbindelse av kveilet rørledning med installasjoner og festesteder. Blant disse befinner seg vanlige pårullings- og fordypnings-koplingsenheter som har vært i bruk i mange år. Utviklingen av mekaniske koplingsenheter som kan plastisk oppspoles gjentatte ganger på og av en arbeidsspole, har imidlertid ikke vært gjenstand for lignende vellykkethet. Antallet plastiske bøyningssykler uten svikt for disse mekaniske koplinger, har vist seg å være utilstrekkelig ut i fra så vel et praktisk, økonomisk og sikkerhets synspunkt. Dette innebærer at deres LCF-levetid var mindre enn 25 % av en rørlednings-levetid som kunne oppnås i middelverdi for manuelle TIG-rundsveiser.

Patentdokumentet GB-A2274891 omhandler en koplingsenhet for bruk i sammenheng med kveilet rørledning som omfatter et koplingslegeme og flere inn-løps- eller overgangsseksjoner forbundet med koplingslegemet. Koplingsenheten kan motstå et antall av sykluser ved spoling frem og tilbake uten å miste trykk-eller strekkintegritet.

Det foreligger derfor et behov for en koplingsenhet som har optimalisert elastisk og plastisk bøyningsevne. Slike koplingsenheter behøver imidlertid en øket LCF-levetid, bedre aksial belastningsevne, samt bedre korrosjonsbestandighet sammenlignet med de verdier som foreligger for materialet i kveilbar rørledning samt for tidligere kjente koplingsenheter.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelsesgjenstand utgjøres av en mekanisk kopling mellom to lengder av kveilbar rørledning og som kan betegnes som en kompositt LCF/CT-koplingsenhet. Dens ytterdiameter i flukt med rørledningen vil gjøre det mulig å passere gjennom pakkbokser og utblåsningssikringer uten hindring. Den vil være oppspolbar på grunn av at den kan bøyes gjentatte ganger over en CT-arbeidsspoleform til et påkjenningsnivå som overskrider strekkgrensen for både CT og koplingslegemet mer enn to ganger antall bøyningssykler som kan oppnås ved en hvilken som helst kjent koplingsutførelse.

Skjønt det foreligger mange særegne oppfinnelser og tekniske prinsipper inkorporert i dens konstruksjon, kan koplingsenheten i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatte vanlige mekaniske fremgangsmåter, slik som forsenknings-forbindelse for feste av to ender av kveilet rørledning til koplingslegemet.

Den elastiske og plastiske bøyningsrespons for koplingsenheten i henhold til foreliggende oppfinnelse kan optimaliseres ved tilpasning til bøyningsstivheten, El, og det plastiske bøyemoment, Mp, for koplingslegemet til den tilsluttede kveilede rørledning. Videre kan det i henhold til foreliggende oppfinnelse dras nytte av en lengre LCF-levetid ved inkorporering av spesielle innlegg med variabel radius, økt veggtykkelse og redusert ytterdiameter i koplingslegemet, spesielle overgangs- eller innføringsseksjoner og/eller øket spenn mellom CT-seksjonene for derved å oppnå mer ensartet fordeling av bøyningspåkjenningen samt reduksjon av stivhetsgradienter på tidligere forekommende sviktsteder.

Noen av særtrekkene ved foreliggende oppfinnelse omfatter koplingsenhetens lengde, den optimaliserte stivhetsvariasjon langs dens lengde, hensiktsmessig materialvalg og strategisk tilpasning mellom koplingsenhetens fysiske dimensjoner og de foreliggende CT-diametere, veggtykkelse og styrkegrad. Fagkyndige på området angir at CT-ytterdiameteren må ligge innenfor innerdiameteren av vedkommende innløpsseksjoner for å muliggjøre koplingen. I tillegg til at det oppnås en vesentlig øket LCF-levetid, vil koplingsenheten tilfredsstille den aksiale belastning, indre og ytre trykkmotstand som er påkrevd for CT-strengen så vel som forbedret korrosjonsbestandighet sammenlignet med den som foreligger for det kveilede rør-ledningsmateriale.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det frembrakt en koplingsenhet for kveilet rørledning og med et koplingslegeme og flere endeoverganger forbundet med dette legeme og hvor koplingsenheten har en LCF-levetid som er minst 30%, eller helst minst 40%, eller aller helst minst 50% av CT-levetiden. Ytterligere kon-struksjonsforbedringer angir at 50% av LCF-levetiden for CT er mulig. Koplingsenheten kan inneholde flere forsenkningskoplinger som er i stand til å utgjøre feste for to kveilede rørledningsender til koplingslegemet. I en foretrukket utførelse oppnås slik LCF-levetid ved at i det minste to skuldre på legemet danner et ringformet tomrom mellom skuldrene. Disse skuldre har fortrinnsvis midlere avrundingsradier på minst % tomme (19mm). Det ringformede tomrom er bakfylt med en sammensatt elastomer/metall-konstruksjon med lav elastisitetsmodul E, samt neglisjerbar motstand mot bøyning.

Innløpsseksjonene har fortrinnsvis flere langsgående aksiale slisser. Videre kan koplingsenheten omfatte flere sentraliserere omkring en utside av koplingslegemet. Hver slik sentraliserer kan ha flere skråkanter, og disse sentraliserere kan være sammenstilt med en tunge-i-spor-sammensetning og flere sokkelhode-feste-skruer. På lignende måte kan koplingsenheten ha flere elastomer-avstandsringer innstøpt mellom sentralisererne om en utside av legemet.

Foreliggende oppfinnelse utnytter med fordel dimensjoner som er oppfinne-riske sammenlignet med dimensjonene av tidligere kjente koplingsenheter. Ved bruk sammen med kveilet rørledning, er det f.eks. mulig for et slikt koplingslegeme å ha en ytterdiameter som er mindre enn ytterdiameteren av den kveilede rørled-ning. Ytterdiameteren av CT kan være tilpasset med innløps- og endeseksjoner, mens ytterdiameteren av koplingslegemet vil være avskrånet til en mindre diameter i disse situasjoner. I en foretrukket utførelse har koplingslegemet en ytterdiameter på omkring trefjerdedeler (3/4) av CT og/eller en veggtykkelse omkring to ganger større enn den som foreligger for CT. Koplingsenheten kan ha en lengde som er større en tretten ganger diameteren av CT, hvor da koplingslegemet fortrinnsvis er minst omkring tretten ganger diameteren av CT i lengde, og over-gangspartiene i hver ende er minst to og en halv (2 Vi) ganger diameteren av CT i lengdeutstrekning. Koplingslegemet utgjøres fortrinnsvis sammensatt av sentraliserere av fluorplast eller aluminiumslegering og aller helst et legeme av legeringen X750.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 viser et sideoppriss av en foretrukket utførelse av koplingsenheten, sett i et snitt langs lengdeaksen,

fig. 2 viser et lengdesnitt gjennom lengdeaksen for en foretrukket utførelse av koplingsenheten,

fig. 3 er en sammenstillingsskisse av en foretrukket utførelse av en sentraliserer, og

fig. 4 er en oppriss-skisse som angir et lengdesnitt gjennom et "mykt" innløp eller en overgangsseksjon med langsgående slisse.

Detaljert beskrivelse av foretrukket utførelse

Fig. 1 og 2 viser sideoppriss og viser henholdsvis et oppriss med skjult lengdesnitt og en lengdesnittskisse av en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse. Som vist fra venstre mot høyre, er det angitt en innløpsseksjon 10 på koplingslegemet 14 for koplingsenheten 8. Videre er det angitt sentraliserere 16 i et ringformet hulrom mellom skuldrene 18 på koplingslegemet 14 av koplingsenheten 8. Videre er det vist en elastomer-bakfylling 12 i det ringformede hulrom mellom skuldrene 18. Disse elementer vil bli nærmere omtalt nedenfor.

Valget av optimale konstruksjonsmaterialer er viktig for fremstillingen av

koplingsenheten 8. For å kunne oppnå godtakbar plastisk bøyningsutmattings-adferd må materialet i koplingsenheten oppvise slik som plastiske egenskaper og et plastisk påkjenningsforhold og lav kaldbearbeidings-herdningsgrad. Disse materi-

alparametere angir da henholdsvis "trekkbarheten" og "strekkbarheten" for kopler-materialet.

Videre bør koplingsenheten 8 oppvise høy bestandighet både overfor vegg-fortynning og tap av duktilitet under syklisk plastisk påkjenningsbelastning. På lignende måte må koplermaterialer oppvise tilstrekkelig strekkbelastningsstyrke og motstandsdyktighet overfor sprekkdannelse til å kunne ta opp den normale belastning som påføres fra den kveilbare rørledningsstreng under drift. Ideelt bør materialet også være motstandsdyktig overfor korrosjonsangrep. Av de mekaniske kon-struksjonsgrunner som er omtalt detaljert nedenfor, må materialet endelig kunne varmebehandles, slik at den optimale formendringsfasthet kan spesifiseres for å muliggjøre den ønskede tilpasning av det plastiske bøyemoment Mp med den verdi som foreligger for den kveilede rørledning. En lav kaldbearbeidings-herdningsgrad kan begrense den utstrekning i hvilken en mistilpasning av Mp kan opptre på grunn av syklisk plastisk bøyning. Legeringen X750 er et foretrukket materiale for koplingsenheten 8 på grunn av at det oppviser alle disse ønskede karakte-ristiske egenskaper.

I den foretrukne utførelse bør ytteridameteren ("OD") for legemet 14 for koplingsenheten 8 være mindre enn ytterdiameteren av den kveilede rørledning ("CT"). Ytterdiameteren av CT kan da tilpasses innerdiameteren av innløpsområ-det samt endeseksjoner 10, og deretter avskråning til mindre diameter for legemet 14 er da å foretrekke. Da ytterdiameteren av den kveilede rørledningsstreng imidlertid også bør være kontinuerlig tvers over koplingsenheten 8, bør et hensiktsmessig materiale velges for å fylle de ringformede hulrom som dannes av den re-duserte OD for koplingslegemet 14 mellom skuldrene 18. Dette materiale bør oppvise en lav elastisitetsmodul ("Young's modul, E"), men likevel ha tilstrekkelig styr-ke til å tåle de radiale trykkrefter som utøves av pakningene i pakkboksen, for derved å opprettholde det nødvendige innesluttede utboringstrykk under de fleste CT-operasjoner.

En bakfylling 12 for dette ringformede hulrom er også ytterst fordelaktig for å sentralisere koplingsenheten 8, slik at den kan passere gjennom pakkboks-tet-ningene og utblåsningssikringene uten hindring. Et annet materiale enn en stålleg-ering er å foretrekke for å møte disse fordringer. En komposittmaterial-konstruksjon er da å foretrekke for denne konstruksjonsenhet. Det eller de materialer som velges for denne "sentraliserings"-bakfylling omfatter høytemperaturs- og korro-sjonsbestandig elastomer slik som fluorplastmaterialer eller aluminiumslegeringer.

Foreliggende oppfinnelsesgjenstand drar nytte av den fjerning av de flere ribber som ble maskinfremstilt integrert med legemet 14 for koplingsenheten 8 i henhold til kjent teknikk. I tillegg til å bidra til den uønskede høye stivhet for koplingsenheten 8, vil disse ribber og avrundinger med liten konstant radius innføre tallrike spenningssøkere, som da utgjør en årsak til den ikke-godtakbare lave bøy-nings-utmattingslevetid i det sammenligningseksempel nr. 1 som er omtalt nedenfor, og som ble utledet under LCF-utprøvningen. Den forholdsvis korte og stive overgangsseksjon som anvendes i tidligere kjente konstruksjoner utgjør en "hard" innløpsseksjon som innfører stor lokal radial plastflyt i CT, hvilket da begrenser den utnyttbare LCF-levetid fordi det opptrer ytterst kraftig ballongdannelse.

Videre frembringes i henhold til foreliggende oppfinnelse, en stor avrunding med variabel radius ved skuldrene 18, og som da fortrinnsvis beløper seg til omkring Va tomme (19mm) i middelverdi og som da var fraværende i koplingsenheter i henhold til kjent teknikk. Kombinasjon av disse elementer og fjerningen av de flere ribber slik som tidligere angitt, har beveget beliggenheten av tretthetssvikten bort fra legemet 14 og koplingsenheten 8.1 den første optimalisering i henhold til foreliggende oppfinnelse er den maksimalt oppnåelige utmattingslevetid nå bestemt av svikt i den kveilede rørledning heller enn i koplingsenheten 8.

Et annet aspekt ved foreliggende oppfinnelse er å utvide innløps- eller over-gangsseksjonene 10 på koplingsenheten 8. Denne forbedring fremfor tidligere kjent teknikk, reduserer da størrelsen av den kraftutøvelse som utøves av kraftpa-ret for å overføre det plastiske moment mellom den kveilede rørledning og koplingslegemet 14 under bøyning. Reduksjonen av disse ekvivalent konsentrerte reaksjoner fra dette kraftpar og som skriver seg fra en større avstand mellom disse krefter, vil da være tilstrekkelig for å begrense ballongdannelsen i CT til godtakbare nivåer. Dette hindrer da utmattings-sprekkdannelser på utsiden ved reak-sjonspunktene, slik at den maksimale LCF for koplingsenheten 8 nå vil være bestemt av den kombinerte virkning av stivhetsforandringen og en eventuelt gjen-værende påkjenningskonsentrasjon ved avrundingsutløpet nær koplingslegemets skuldre 18.

Et annet aspekt ved foreliggende oppfinnelse er å hindre dannelse av lokale plasthengsler som vil kunne påføre større plastiske bøyningsspenninger enn de som foreligger på resten av rørledningsstrengen. Slike forsterkede bøyningsspen-ninger vil da utgjøre "varme punkter" for tidlig utmattingssvikt. For å nedsette til-bøyeligheten for lokal hengselsdannelse til et minimum, er det da viktig å sikre at den elastiske bøyningsstivhet, målt som et produkt av El for modulen E og treg-hetsmomentet I, forblir så ensartet som mulig over lengdeutstrekningen av koplingsenheten 8 og de inntilliggende partier av den kveilede rørledning.

Da bøyningsdeformasjonen av rørledningsstrengene først begynner som en elastisk kurve før en permanent eller plastisk deformasjon opptrer, vil en ensartet

elastisk stivhet El virke mot dannelse av et punkt med økt utbøyning og som etter hvert vil gå over til dannelse av et lokalt plastisk hengselspunkt. Sikring av en ensartet elastisk krumning gjør det da mulig å unngå at koplingsenheten 8 blir følsom for lokale hengselsdannelser forut for påfølgende plastisk deformasjon.

En av kopleroptimaliseringene innebærer derfor en revisjon av ytterdiameteren og veggtykkelsesdimensjonene for koplingslegemet 14 på en slik måte at dens elastiske stivhet tilpasses til stivheten for den tilstøtende kveilede rørledning. Denne konstruksjonsbetingelse drar da nytte av en reduksjon av ytterdiameteren sammenlignet med den som foreligger for den kveilbare rørledning samt en økning av veggtykkelsen. Ytterdiameteren i en foretrukket utførelse av legemet 14 for koplingsenheten 8 er omkring tre fjerdedeler (%) av ytterdiameteren av CT, mens veggtykkelsen i en foretrukket utførelse av legemet 14 for kopleren 8 vil være stør-re enn omkring en og en halv ganger den verdi som foreligger for CT, og aller helst større enn omkring to ganger veggtykkelsen for CT.

Et annet aspekt ved foreliggende oppfinnelse er plastisk bøyningsmoment-fordeling. Spoling av koplingsenheten 8 og den tilstøtende rørledning på arbeidsspolen samt over føringsbuen ("gåsehalsen"), krever bøyning utover elastisitets-grensen, utover materialets flytegrense både for koplingslegemet 14 og den kveilede rørledning. Dette resulterer vanligvis i en plastisk formasjon på den kveilede rørledning i området fra omkring 2% til omkring 3%. Den indre motstand som ytes av den kveilede rørledning og koplingsenheten 8 mot denne plastiske bøynings-deformasjon, blir da målt uttrykt ved plastisk moment Mp. For å forhindre dannelse av lokale plastiske hengselspunkter når ettergivenheten for bøyning har funnet sted, må fordelingen av Mp fortrinnsvis være så ensartet som mulig over lengdeutstrekningen av koplingsenheten 8 og den tilstøtende kveilede rørledning.

I tillegg vil kopleren 8 også dra nytte av en tilpasning av de plastiske bøyn-ingsmomenter for kopleren 8 med de tilsvarende verdier for den kveilede rørled-ning. På grunn av en forskjellig elastisitetsmodul ("E") og flytegrense, nemlig to materialegenskaper som sammen med de fysiske dimensjoner vil bestemme verdien av Mp, vil dette også diktere at hovedlegemet, slik som det sentrale parti av koplingslegemet 14, bør ha vesentlig mindre ytterdiameter enn den kveilede rør-ledning. Dette er i samsvar med fordringene for tilpasning av El, skjønt dimensjonene ikke vil være like. Da Mp inkluderer flytespenningen i seg, kan en nøyaktig tilpasning oppnås ved å justere verdien av flytespenningen, slik at den kompense-rer for de små forskjeller i tverrsnittsdimensjoner.

Den mekaniske konstruksjon av koplingsenheten 8 omfatter tilfredsstillende mekaniske- og konstruksjonsstyrke-krav. Den aksiale strekk- og trykkstyrke for kopleren 8 er beregnet for å være sammenlignbar med de spesifiserte minimums-styrkeverdier for den kveilbare rørledning. Brudd- og nedbrytnings-trykkstyrken for koplingsenheten 8 vil overskride den som foreligger for vedkommende kveilede rørledning i betraktning av likheten mellom flytestyrken for henholdsvis koplingsenheten 8 og den kveilede rørledning som er tilkoplet med mindre diameter, større veggtykkelse og mindre D/t-forhold for kopleren 8.

En hvilken som helst sveiset eller mekanisk forbindelse som har funnet sted på en kveilet rørledningsstreng bør være i stand til å passere gjennom en ytre pak-ningsinnretning som er kjent under betegnelsen "pakkboks" uten hindring. Det foreligger således et behov for ytterdiametere i flukt med hverandre mellom kopleren 8 og CT.

Da lengden av pakkbokstetningen er mindre enn lengden av koplingsenheten 8, vil det foreligge en mulighet for at koplingslegemet 14 skal kunne bindes til eller henges opp i pakkboksen hvis ytterdiameteren av koplingslegemet 14 er meget mindre enn innerdiameteren av pakkbokstetningen. En slik innbyrdes påvirkning kan da lett inntreffe ved skuldrene 8 på koplingslegemet 14 hvis denne er fri til avbøyning sideveis under passasjen gjennom pakkboksen. For å unngå denne situasjon, vil det ringformede tomrom som foreligger mellom koplingslegemets skuldre 18 og en linje trukket langs ytterdiameteren av den kveilbare rørledning bli bakfylt med sentraliseringsringer 16.

Ytterdiameteren av sentralisererne 16 omfatter en avskrånet kant på hver side. Den resulterende kronede profil vil videre hindre alle tendenser til bindende sammenkoplinger med pakkbokstetningene. Innerflatene på sentralisererne 16 vil på lignende måte bli rundt avdreiet for å unngå opphengninger mellom sentralisereren 16 og koplingslegemet 14 under påførte avbøyninger. Radien av krumnings-profilen for disse avskråninger vil også være sammenlignbare med krumningene på skuldrene 18 på koplingslegemet 14, og fortrinnsvis da med omkring % tommes (19mm) midlere radius. En utførelse bør hindre enhver tendens til kilevirkning som vil kunne drive endesentralisererne 16 vekk fra hverandre når de blir sammentryk-ket mot disse skuldre ut i fra friksjonskrefter som opptrer i pakkboksen eller under påførte avbøyninger på kopleren 8. Som vist i sammenføyningsdetaljen i fig. 3 er sentralisererne 16 maskinbearbeidet til to halvdeler som så er sammenføyd ved en sammenstilling med en tunge i spor som er fastholdt på plass med sokkelhode-festeskruer 20.

Sentralisererne 16 er blitt utført med tilstrekkelig radial og aksial klaring til å unngå gjensidig påvirkning under utbøyningspåkjenning på koplingslegemet 14. Konstruksjonsmaterialet for sentralisererne 16 bør velges slik at det oppviser en lavere elastisitetsmodul, slik at sentralisererne 16 lett vil kunne deformeres uten kraftig bøyningsmotstand i det tilfelle kopleren 8 blir avbøyd utover sine tilsiktede konstruksjonsverdier. Sentralisererne 16 bør også oppvise tilstrekkelig trykkstyrke til å ta opp de radiale belastninger som påføres av pakkboksens tetningspakninger eller andre elementer, slik som rør-rambukker i BOP i det tilfelle kopleren 8 skulle befinne seg på disse steder når pakningene eller rambukkene energiseres. Skjønt fagfolk på området vil erkjenne at også andre materialer, inkludert elastomerer, kan anvendes, så er den foretrukne utførelse av sentralisererne 16 i aluminiumslegering 7075 T6.

Under normale arbeidsfunksjoner for den kveilede rørledning vil radiale trykkrefter virke på den kveilede rørledning når den bøyes over gåsenakken og viklet opp på arbeidsspolen. Under denne laterale belastningsvirkning kan sentralisererne 16 ikke kunne virke sterkt mot disse krefter, på grunn av at utboringens radiale klaring i forhold til koplingslegemet 14 og på grunn av at det "mykere" materiale i sentralisereren 16 vil lettere deformeres enn de tilstøtende skuldre 18 på koplingslegemet 14.

Et fritt diagram for krefter og reaksjoner på sammenstillingen av koplerlegemet 8 under slik belastning kunne vært modellert som en enkelt understøttet krum bjelke med aksial belastning og bøyningsmomenter påført ved hver ende av koplerlegemet 8. Reaksjonskreftene mot de påførte belastninger ville da bestå av punktbelastninger konsentrert ved hver av de to skuldre 18 på koplingslegemet 14. Ved å anvende grunnleggende bjelketeori for statisk ubestemt bjelkebelastning eller ved endelig elementanalyse ("FEA"), kan bøyningskurvens form og utbøynin-gen for koplingslegemet 14 beregnes som en funksjon av koplerens spennlengde.

Den lokale radiale utbøyning i midtpunktet av koplingslegemet 14 vil være merkbart større enn ved andre steder langs lengdeutstrekning av koplingssam-menstillingen 8. Dette tyder på at lokale bøyningspåkjenninger er høyere her, og tidlige utmattingssprekker vil derfor kunne ventes på dette sted. Dette viser at økning av lengden av kopleren 8 vil tjene til å redusere graden av forsterket bøy-ningspåkjenning på midten av kopleren 8, og det vil være mulig å finne en optimal lengde for kopleren 8, hvor da bøyningspåkjenningen vil være fordelt ensartet langs dens lengdeutstrekning. I en foretrukket utførelse er koplerlegemet 14 for koplingsenheten 8 i det minste omkring åtte ganger CT-diameteren. I den mest foretrukne utførelse av legemet 14 vil dets lengde være minst ca. ni ganger CT-diameteren. Kopleren 8 håret koplingslegeme 14 med innløpsseksjoner 10 som fortrinnsvis er minst omkring tretten ganger CT-diameteren i lengde og aller helst har en lengdeutstrekning på minst femten ganger CT-diameteren.

Som forklart ovenfor, vil den foretrukne mekaniske kveilede rørledningskop-ler 8 oppvise en ensartet elastisk stivhet og plastisk bøyemoment-fordeling. Dette oppnås for hovedlegemet eller det sentrale koplingslegemet 14 for kopleren 8 ved innbyrdes tilpasning av El og Mp for henholdsvis kopleren og CT. For å redusere følsomheten for at det skal opptre utmattingssvikt på et hvilket som helst sted, vil det også være viktig at eventuelle gradienter i materialet eller geometriske egenskaper skal være så gradvis varierende som mulig på vedkommende sted. Til forskjell fra en sveiseforbindelse ende mot ende, er det imidlertid ytterst vanskelig å oppnå en perfekt tilpasning mellom disse parametere innenfor overgangs- eller innløpsseksjonen 10 mellom den kveilede rørledning og kopleren 8. Det er også meget vanskelig å eliminere alle gradienter innenfor disse seksjoner. I henhold til foreliggende oppfinnelse unngås utmattingssvikt i koplingslegemet 14 for koplingsenheten 8 hvis det installeres en CT-streng som tidligere er blitt utsatt for utmat-tingsbelastning og/eller material-degradering, slik som korrosjon med gropdannel-se eller spennings-sprekkdannelse. Plastisk bøyningsutmattingssvikt og/eller ytterst kraftig ballongdannelse innenfor dette overgangsområde forblir imidlertid den tilstand som setter en grense for maksimal betjeningsytelse for kopleren 8 når den er installert i en ny CT.

Innløpsseksjonen 10 i hver ende av koplingsenheten 8 er forbundet med koplingslegemet 14 ved hjelp av en gjengeforbindelse. Dette trekk gjør det mulig å utprøve seksjoner av forskjellig utførelse med hensyn på relativ LCF- og ballong-dannelses-respons, idet det iblant kan anvendes to forskjellige innløpsseksjoner på et enkelt koplingsprøvestykke. Ved foreliggende oppfinnelse vil det være mulig å eliminere den kraftige lokaliserte ballongdannelse som oppnås etter den første modifisering av den opprinnelige koplingsenhet.

Den LCF-prøve som er utført på en andre koplingsenhet, slik som angitt i eksemplene, og hvorpå ingen konstruksjonsmodifiseringer blir utført på innløps-seksjonene 10, resulterte i en tidlig svikt på grunn av kraftig diametervekst på den kveilede rørledning på det punkt hvor den første kontakt fant sted mellom koplingsenheten 8 og den kveilede rørledning. De forsterkede plastiske bøyningspå-kjenninger som påførte slik ballonglignende utvidelse, vil i sin tur føre til tidlig inn-ledende utmattings-sprekkdannelse som forplanter seg innover i den kveilede rør-ledning på disse steder.

Innløpsseksjonene 10 kan derfor ikke være for korte og stive. I henhold til

foreliggende oppfinnelse angis det da at en stivhetsgradient på dette sted og som har vært for abrupt til å unngå kraftig plastisk materialstrømning i radial retning, vil forårsake ballongutvidelse. Som en følge av dette, reduseres i henhold til foreliggende oppfinnelse både stivhetsgradienten og det sørges for et fordelt første kontaktsted mellom rørledningen og koplingsenheten 8 etter påfølgende bevegelses-sykler.

For å oppnå disse to konstruksjonsformål, blir lengden av innløps- eller overgangsseksjoner 10 i henhold til foreliggende oppfinnelse mer enn fordoblet, slik at stivhetsgradienten derved sterkt reduseres. Den foretrukne lengdeutstrekning av innløpsseksjonene vil da i det minste være omkring to og en halv (2V£) ganger diameteren av CT, og aller helst minst omkring tre ganger diameteren av CT, samt aller helst fortrinnsvis minst tre og en halv (3<1>/4) ganger diameteren av CT. For å redusere denne gradient ytterligere og unngå gjentatt materialstrømning frem og tilbake i radial retning på samme sted, nemlig det første kontaktsted mellom innløpsseksjon 10 og CT, kan langsgående aksiale slisser 22 maskinbearbei-des inn på det avskrånede parti 24 av innløpsseksjonen 10. Et nærbilde med skjult lengdesnitt gjennom innløpsseksjonen 10 med langsgående slisser 22, er da vist i fig. 4.

Disse slisser 22, hvis bredde- og lengde-dimensjoner er blitt strategisk valgt, gir da opphav til en oppslisset innløpsseksjon 24 av den art som er vist i fig. 4, og som omfatter flere fingre. Disse fingre gjør tjeneste som små ensidig innspendte bjelker mens de ligger an mot innerflaten av den kveilede rørledning under plastisk utbøyningsdeformasjon. Da disse ensidig innspendte bjelker i seg selv avbøyes plastisk, skjønt i en mindre grad enn den kveilede rørledning, vil det første kontaktsted for bøyningsreaksjonskraften under en påfølgende bøynings-syklus, bli forskjøvet videre i retning av koplingslegemet. Den resulterende plastiske materialstrømning frem og tilbake i radial retning i den kveilede rørledning, vil derfor bli konsentrert på et avvikende sted nær inntil det siste opprinnelige kon-taktpunkt. Den målte ballongutvidelse som er rapportert i eksemplene, og som da omfatter en av de to innløpsseksjoner som er oppslisset, oppfyller da forventnin-gen om redusert alvorlig ballongdannelse ut i fra disse teoretiske konstruksjons-forhold.

Av lignende grunner fremstilles en avskrånet innløpsseksjon 24 av lignende eller lengre lengdeutstrekning, men uten de slisser 22 som anvendes for å oppnå "myk" innløpsseksjon. Denne "utvidet avskrånede" myke innløpsseksjon kan da festes som en alternativ innløpsseksjon på koplingslegemet 14. Da utmattingssvikt kan opptre i den kveilede rørledning innenfor den "myke" innløpsseksjon, vil denne "utvidet avskrånede" myke innløpsseksjon oppvise enda bedre adferd enn det oppslissede innløp 24. Utmattingsprøvning er imidlertid ennå ikke blitt utført for å måle LCF-adferden for denne konstruksjon. Med betraktning av fig. 4 vil det også kunne utledes at innløpsseksjonen 10 kan utgjøre en venturi i forhold til den indre fluidstrømning, på grunn av den gradvise avskråning av veggtykkelsen på innsiden, slik som vist ved stiplede linjer i fig. 4.

Enhver kopling i den kveilede rørledning må sikre at det ikke fremkommer noen lekkasjebane for fluider som trenger gjennom veggen av koplingsenheten 4. Lekkasje enten under indre eller ytre overtrykk vil ikke kunne tillates. Koplingsenheten i henhold til tidligere kjent teknikk vil imidlertid springe lekk etter bare noen få bøyningssykler. Tre grunnleggende årsaker er blitt fastlagt for denne tetnings-svikt, nemlig 1) den leppeformede tetningsstakk som anvendes vil ikke bli tilstrekkelig energisert ved lave trykk, 2) innsiden av den kveilede rørledning var ikke tilstrekkelig forbearbeidet for å kunne opprette en god tetning (hvilket vil si at den indre sveisegrad ved ERW-sømsveisen ikke var blitt nedbearbeidet i flukt med den indre rørvegg), og 3) den største bidragende faktor var kraftig ballongdannelse på koplingsenhetens tetningsflateseksjon og en tendens av ytterenden av CT til å sprike utover under den brekkstangvirkning som opprettes under bøyning av kop-lingssammenstillingen. De konstruksjonsmodifikasjoner som er bygget inn i koplingsenheten 8 i henhold til foreliggende oppfinnelse, virker mot de forskjellige fak-torer som virker negativt på tetningsintegriteten for koplingsenheten 8. Graden av vektstangvirkning er f.eks. blitt nedsatt til godtakbare nivåer ved å øke den totale innløpslengde under overlappingen mellom koplingsenheten 8 og den kveilede rørledning. Ut i fra fig. 1 og 2 vil det innses at avstanden fra skulderen 18 på koplingslegemet 14 for koplingsenheten 8 til begynnelsen av innløpsseksjonen 10 er lengre enn i den opprinnelige utførelse. I en utførelsesvariant av koplingskonstruk-sjonen angir videre en anleggsforbindelse ende mot ende og med svalehale-utfør-else mellom enden av den kveilede rørledning og anleggsskulderen 18 i koplingslegemet 14 for koplingsenheten 8, at en kvadratisk skulder ville kunne erstattes med en negativ avskråning. Den kveilede rørledning kan da gis en positivt avskrånet kantbearbeiding, slik at enhver radial forskyvning av CT vil bli forhindret etter inngrep mellom de to avskrånede endekanter. En ny indre røropprømmer kan videre inkluderes for mer fullstendig fjerning av den indre ERW-sveisegrad. Dette vil da inkludere en ny kleminnretning for å sirkelforme den normalt manglende avrun-dede kveilede rørledning og derved frembringe en uniform opprømning for derved å opprette en jevn avtetningsflate på innsiden av CT. På lignende måte vil den "myke" innløpsseksjon ha eliminert den ikke-godtakbare store ballongdannelses-respons langs retningsseksjonen, slik at det derved oppnås ensartet kontaktdan-nelse mellom pakningene og innsiden av CT. Endelig kan i tillegg oppbakkende O-ringspakninger innføres i tandem på leppetetningsstakken for å sikre tetningsintegritet også under lave indre trykk.

Eksempler

Lavsyklus-utmattingslevetid blir bestemt ved bruk av en CT-utmattings-prøvefikstur, av modell Broken Arrow, serienr. 002, i en maskin for bøyningsutmat-tingsprøvning i Calgary, Alberta. Utprøvningen ble utført med forskjellige bøy-ningsradier, nemlig 72 og 94 tommer (183cm hhv 239cm) for kveilet rørledning med diameter lik 2-7/8 tommer (73mm) og av den art som anvendes for brønninn-føring til havs. Et 7 fot (213,36cm) langt CT-prøvestykke i full størrelse ble anvendt. Ytterendene av dette prøvestykke ble avtettet for å gjøre det mulig å påføre et indre trykk ved hjelp av trykksatt vann, mens prøvestykket ble utsatt for syklisk bøyning fra rettlinjet til krum stilling og tilbake til rettlinjet tilstand. Dette represente-rer (1) bøyningsutmattingssyklus og (3) slike sykler tilsvarer da en (1) tripp inn i og ut av en borebrønn. Utmattingssvikt fant sted ved tap av indre trykk, hvilket oppnås umiddelbart ved dannelse av en sprekk eller "nålestikkhull" i rørledningsveg-gen. Det faktiske tilgjengelige antall utmattingssykler (eller tilsvarende trippbeve-gelser) ble utledet ved å dividere sykluslevetiden til svikt ved en egnet sikkerhetsfaktor. Denne sikkerhetsfaktor er typisk av størrelsesorden 3. Det er beregnet på basis av en risiko eller sannsynlighet for svikt på en av tusen.

Ved et tilstrekkelig høyt indre trykk kan en rørlednings respons på plastisk bøyning føre til en permanent radial plastisk materialstrømning. Denne økning i ytterdiameter betegnes da som "ballongdannelse". Overskridelse av en maksimalt tillatelig vekst av ytterdiameteren på et hvilket som helst sted langs prøveeksemp-laret, utgjør da et andre sviktkriterium.

Tabell 1 sammenfatter resultatene av utmattingsprøvene for forskjellige CT-koplingsutførelsesoppfinnelser inkludert den første prøve som utføres på en tidligere kjent koplingsenhet og angitt her som et sammenligningseksempel:

LCF-verdien for den tidligere kjente koplingsenhet som var fremstilt av BD Kendle Engineering og er vist i eksempel nr. 1 som sammenligningsgrunnlag, ble utprøvd uten noen som helst modifikasjoner og med en større bøyningsradius enn det som normalt forekommer i praksis for en CT-streng med diameter 2-7/8 tommer (73mm). Selv ved denne større bøyningsradius ville denne koplingsenhet bare tillate maksimalt ti tripper under brønnvedlikeholdsarbeide på grunn av at en sikkerhetsfaktor på minst tre må anvendes mot det målte antall funksjonssykler frem til svikt. Hvis denne koplingsenhet var blitt brukt ved anvendelse av den mer vanlige bøyningsradius på 72 tommer (183cm), ville antallet tillatelige utmattingssykler kunne forventes å bli redusert til bare fem eller seks tripper. Dette ville da vanligvis bli betraktet som ikke-godtakbart for bruk i arbeidsoperasjoner som utnytter kveilet rørledning.

Den første større utførelsesforandring, anvendt i eksempel nr. 2, eliminerte samtlige ribber som da var blitt nedmaskinert integrert med sentralavsnittet eller hovedseksjonen av koplingslegemet. En avrunding med en viss radius ble også innført på de to skuldre på hver sin side av sentralpartiet av koplingslegemet. Disse forbedringer økte bøyningsutmattingsadferden for kobleren med 71 %. Disse utførelsesmodifikasjoner forskjøv også det svakeste ledd i koplingssammenstil-lingen fra koplingsenheten til den kveilede rørledning der hvor den overlapper med koplerens innløpsseksjonen Sammenstillingen av et nytt prøveeksemplar, i eksempel nr. 4, nemlig med en ny kveilet rørledning og det samme koplingslegeme, førte til en liten tilleggsvinning på bare 24 sykler. Den maksimale LCF-levetid som ble oppnådd for koplingslegemet ble derfor 116 sykler eller nesten 45 % av levetiden for den kveilede rørledning.

Ved at LCF-sviktstedet ble forskjøvet til den kveilede rørledning, fremkom det en diametervekst på 0,135 tommer (3,43mm) på sviktstedet, hvilket da var større enn den maksimalt tillatelige økning på 0,100 tommer (2,54mm). Kraftig ballongdannelse ble deretter eliminert ved å innføre den "myke" og den "utvidet avskrånende" innløpsseksjon, slik som vist i eksempel nr. 8. En lavere levetid enn den maksimalt mulige sykluslevetid ble imidlertid oppnådd med denne prøve på grunn av at fortidlig svikt fant sted i den tidligere brukte rørledning, som da inne-holdt korrosjonsgroper på innsiden.

Eksempel nr. 5 viste at midtpartiet av koplingslegemet ikke kan inneholde noen som helst ribber som er nedmaskinert i flukt med koplingslegemet. For å oppnå den nødvendige sentralisering av koplingsenheten når den passerer gjennom pakkboksene og BOP-stakkene, inneholder koplingsenheten separate kom-ponenter som ikke er stivt festet til koplingslegemet. Eksempel nr. 5 angir også utprøvningsdata for å evaluere virkningen av å optimalisere koplingslegemets spennlengde mellom skuldrene.

Eksemplene nr. 8 og nr. 9 bekrefter de resultater som ble oppnådd ut i fra eksemplene nr. 3 og nr. 4, som da viste at koplingslegemet vil være i stand til å tåle i det minste det dobbelte antall bøyningssykler, nemlig henholdsvis 44,6 % og 42,3 %, sett i forhold til det som er angitt i eksempel nr. 1, som da er 21,6 %.

Disse eksempler viser således at det i henhold til foreliggende oppfinnelse kan oppnås en LCF-levetid på minst 30 %, fortrinnsvis minst 40 %, av rørledning-ens egen levetid. Dette er minst det dobbelte av det som har vært oppnådd for andre koplingsenheter, som har vært tidligere kjent. Denne LCF-levetid er på sin beste minst 60 %. Prøveresultater har også vist at, til forskjell fra andre koplingsenheter som ble utprøvd, en koplingsenhet i henhold til foreliggende oppfinnelse kan tåle et syklisk plastisk bøyningsmoment med minimal tendens til for høy lokal diametervekst eller dannelse av plastiske hengselspunkter. Dette utgjør en viktig fordring for enhver CT-koplingsenhet for derved å kunne sikre både indre og ytre tetningsintegritet. Koplingsenheter som er konstruert og fabrikkert av andre oppviser også fluidtap under plastisk bøyningsdeformasjon. Det er av betydning at LCF-levetiden for vedkommende koplingsenhet oppviser en utmattingsadferd som også er bedre enn den som gjelder for manuelle TIG-rundtsveisede koplingsforbindelser, som da har utklasset LCF-levetiden for de fleste eksisterende mekaniske koplingsforbindelser.

Et aspekt ved denne forbindelsesgjenstand er superlegeringen X-750 som ble valgt for å oppnå optimal plastisitet, samt forbedrede strekk- og herdningsegenskaper for derved å sikre at andre mekaniske og konstruksjonsmessige styr-kefordringer blir tilfredsstilt. Fagkyndige på området vil erkjenne at utskifting eller inkludering av ytterligere materialer med slike egenskaper må anses å ligge innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse.

Den elastiske og plastiske bøyningsrespons for kobleren i henhold til foreliggende oppfinnelse er blitt optimalisert ved innbyrdes tilpasning av bøyningsstiv-het El og plastisk bøyningsmoment Mp mellom koplingslegemet og den tilstøtende kveilede rørledning. Varmebehandlingsegenskapene for legeringen X-750 sammen med dens lave herdningsegenskaper i drift, gjør det mulig å opprettholde til-pasningen med hensyn til Mp gjennom hele de påfølgende plastiske bøynings-sykler.

Andre oppfinnelsestrekk med hensyn til utførelse og som inngår i denne oppfinnelse for å oppnå maksimal LCF-levetid, omfatter da store og variable krum-ningsradier, økt veggtykkelse i koplingslegemet, økt spennvidde for å oppnå mer ensartet bøyningspåkjenningsfordeling samt reduksjon av stivhetsgradientene på tidligere sviktsteder. De særegne aspekter ved denne oppfinnelsesgjenstand er derfor koplingsenhetens lengde, den optimaliserte stivhetsvariasjon langs dens lengdeutstrekning, hensiktsmessig materialvalg og strategisk tilpasning av koplerens fysiske dimensjoner til de enkelte CT-diametere, veggtykkelse og styrkegrad. I tillegg til å kunne oppnå en betraktelig øket LCF-levetid, vil denne koplingsenhet tilfredsstille den aksiale belastning, ha evne til å motstå indre og ha et ytre trykk som er påkrevd for CT-strengen, så vel som en forbedret korrosjonsbestandighet som er sammenlignet med den som gjelder for materialet i den kveilede rør-ledning.

Claims (9)

1. Koplingsenhet for bruk i sammenheng med kveilet rørledning, hvor koplingsenheten har en egen utmattingslevetid under syklisk bruk som er minst 30 % av sykluslevetiden for den kveilede rørledning, mens den kveilede rørledning også har en egen utmattingslevetid under syklisk bruk, og koplingsenheten (8) omfatter et koplingslegeme (14), og flere innløps- eller overgangsseksjoner (10) forbundet med koplingslegemet, karakterisert ved at koplingslegemet (14) omfatter to skuldre (18) som danner et ringformet tomrom mellom seg, mens skuldrene (18) har en varierende avrundingsradius med en middelverdi på minst 1,90 cm.

2. Koplingsenhet som angitt i krav 1, karakterisert ved at: den kveilede rørledning videre omfatter en ytterdiameter for rørledningen, og koplingslegemet (14) videre har en ytterdiameter for legemet og som er mindre enn tre fjerdedeler ganger ytterdiameteren for den kveilede rørledning.

3. Koplingsenhet som angitt i et av de forutgående krav, karakterisert ved at: den kveilede rørledning videre omfatter en viss veggtykkelse for rør-ledningen, og koplingslegemet (14) videre omfatter en veggtykkelse for koplingslegemet og som er omkring to ganger veggtykkelsen for den koplede rørledning.

4. Koplingsenhet som angitt i et av de forutgående krav, karakterisert ved at den videre omfatter flere sentraliserere (16) rundt utsiden av legemet (14).

5. Koplingsenhet som angitt i et av de forutgående krav, karakterisert ved at koplingslegemet (14) er bakfylt og støpt med elastomermateriale.

6. Koplingsenhet som angitt i et av de forutgående krav, karakterisert ved at koplingsenheten videre omfatter et kompositt-legeme bestående av fluorplastmateriale eller aluminiumslegering.

7. Koplingsenhet som angitt i et av de forutgående krav, karakterisert ved at: den kveilede rørledning videre omfatter en ytre rørledningsdiameter, og koplingslegemet (14) har en lengde på minst omkring åtte ganger diameteren av den kveilede rørledning.

8. Koplingsenhet som angitt i et av de forutgående krav, karakterisert ved at: den kveilede rørledning videre omfatter en ytterdiameter for rørledningen, og hver innløpsseksjon (10) omfatter en lengde som er minst omkring to og en halv ganger den kveilede rørledningsytterdiameter.

9. Koplingsenhet som angitt i et av de forutgående krav, karakterisert ved at hver innløpsseksjon (10) omfatter flere langsgående aksiale slisser (22).